DE2944113A1 - METHOD AND DEVICE FOR THE QUANTITATIVE ABSOLUTE DETERMINATION OF OPTICALLY ACTIVE SUBSTANCES - Google Patents

METHOD AND DEVICE FOR THE QUANTITATIVE ABSOLUTE DETERMINATION OF OPTICALLY ACTIVE SUBSTANCES

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DE2944113A1 DE19792944113 DE2944113A DE2944113A1 DE 2944113 A1 DE2944113 A1 DE 2944113A1 DE 19792944113 DE19792944113 DE 19792944113 DE 2944113 A DE2944113 A DE 2944113A DE 2944113 A1 DE2944113 A1 DE 2944113A1
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Abstract

1. A process for the quantitative determiantion of a dissolved optically active substance in aqueous or non-aqueous solutions by means of polarimetry by splitting the light beam after the sample by means of a beam splitter, thereby producing a measuring beam and a reference beam, and forming a difference or quotient signal of the signals of the measuring and the reference beam detected by corresponding detectors, whereby the polarized light of the light source prior to passing through of the sample is eventually subjected to frequency, phase, or amplitude modulation, and the difference or quotient signal formed of the signals of the measuring and the reference beam is demodulated correspondingly, characterized in that for simultaneously obtaining beam splitting and an analyzing effect the light beam after the sample is directed to an optical interface at an incidence angle (alpha) between the polarization angle and the limit angle of total reflection.

Description

29U11329U113

Dr. Arno Müller
D-7900 Ulm-Mähringen
Dr. Arno Müller
D-7900 Ulm-Mähringen

Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen
Absolutbestimmung optisch aktiver Substanzen
Method and device for quantitative
Absolute determination of optically active substances

Die Erfindung betrifft ein hochempfindliches Verfahren
zur quantitativen Absolutbestiramung optisch aktiver Substanzen auch in sehr kleinen Konzentrationen in wäßrigen oder nichtwwäßrigen Lösungen, zB von Glucose oder Fructose im Blut, Plasma oder Serum, sowie eine hierfür geeignete Vorrichtung.
The invention relates to a highly sensitive method
for quantitative Absolutbestiramung optically active substances even in very low concentrations in aqueous or non aqueous w solutions, for example glucose or fructose in the blood, plasma or serum, as well as an apparatus therefor.

Die Analyse kann erfindungsgemäß sowohl in vivo, dh direkt am oder im lebenden Organismus, als auch in vitro durchgeführt werden. Es ist bereits bekannt, daß die Glucosekonzentration, meist im Serum, entweder enzymatisch oder zB durch visuelle Kolorimetrie, Titrimetrie oder Photometrie bestimmt werden kann (Pikrinsäure-Methode, Glucoseoxidase-, Pero:ädase-, Hexokinase-Hethode). Aus denAccording to the invention, the analysis can be carried out both in vivo, ie directly on or in the living organism, and in vitro will. It is already known that the glucose concentration, mostly in serum, either enzymatically or, for example, by visual colorimetry, titrimetry or photometry can be determined (picric acid method, glucose oxidase, perodase, hexokinase method). From the

7O9-X-2O66-SF/NU7O9-X-2O66-SF / NU

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DE-OSen 2 200 119 und 2 326 265 ist ferner bekannt, daß eine Brennstoffzelle in einen lebenden Organismus eingepflanzt werden kann, die über eine telemetrische Vorrichtung einige charakteristische Meßwerte (zB den pH-Wert, die Glucosekonzentration u.a.) in elektrische Signale umsetzt. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, die Blutglucosekonzentration durch Messung der Absorption eines Lichtstrahls im Blut bei einer bestimmten Wellenlänge zu bestimmen (vgl die US-PS 3 958 560; N. Kaiser, Optics Communication 1_1_, Nr. 2 (1974) 175). Derartigen Messungen stehen jedoch wegen der Vielzahl von Absorptionsbanden organischer Moleküle grundsätzliche Schwierigkeiten entgegen.DE-OSes 2 200 119 and 2 326 265 is also known that a fuel cell is implanted in a living organism a telemetric device can be used to record some characteristic measured values (e.g. the pH value, the glucose concentration, etc.) into electrical signals. It has also already been suggested that Blood glucose concentration by measuring the absorption of a beam of light in the blood at a specific wavelength to be determined (see US Pat. No. 3,958,560; N. Kaiser, Optics Communication 1-17, No. 2 (1974) 175). Such However, because of the large number of absorption bands of organic molecules, measurements are fundamentally difficult opposite.

Aus der DE-OS 2 724 543 ist ferner bekannt, die Glucosekonzentration polarimetrisch in vitro oder in vivo zu messen.DE-OS 2 724 543 also discloses the glucose concentration to be measured polarimetrically in vitro or in vivo.

Da aber bei der polarimetrischen Bestimmung zB der Glucose im Blut durch die Anwesenheit anderer optisch aktiver Substanzen eine Untergrunddrehung auftritt, die sich dem glucosebedingten Drehwert überlagert, erlaubt dieses Verfahren nur Relativmessungen. Zudem ist der apparative Aufwand infolge der erforderlichen hohen Meßempfindlichkeit von 10"^ bis 10~δ ° relativ hoch.However, since in the polarimetric determination of glucose in the blood, for example, the presence of other optically active substances causes a background rotation that is superimposed on the glucose-related rotation value, this method only allows relative measurements. In addition, the outlay on equipment is relatively high due to the required high measurement sensitivity of 10 "^ to 10 ~ δ °.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hochempr findliches schnelles und reproduzierbares Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zur quantitativen Analyse optisch aktiver Substanzen auch in sehr kleinen Konzentrationen in wäßrigen oder nicht_,wäßrigen und insbesondere biochemischen und biologischen Systemen anzugeben, die sich zur Absolutmessung der Konzentration einer optischThe invention is based on the object of providing a highly sensitive, rapid and reproducible method as well a corresponding device for the quantitative analysis of optically active substances, even in very small concentrations in aqueous or non_, aqueous and in particular biochemical and biological systems to indicate the for the absolute measurement of the concentration of an optically

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auch
aktiven Komponente/in Gegenwart anderer optisch aktiver Substanzen eignen.
even
active component / in the presence of other optically active substances.

Das Verfahren soll ferner auch zur direkten in-vivo-Ilessung des Blutglucosespiegels, beispielsweise bei Diabetikern, etwa auf transkutanera bzv/ verletzungsfreiem Wege geeignet sein.The method is also intended for direct in vivo measurement the blood glucose level, for example in diabetics, for example in a transcutaneous and / or injury-free way be suitable.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll auf einem einfachen apparativen Konzept beruhen und eine Absolutmessung der Konzentration einer optisch aktiven Substanz auch in Gegenwart anderer optisch aktiver Substanzen mit abweichendem Zeit-Konzentrations-Verhalten ermöglichen und nicht die begrenzte Empfindlichkeit herkömmlicher Vorrichtungen aufweisen. Die Vorrichtung soll sich ferner nicht nur stationär einsetzen lassen, sondern auch aufgrund ihres Konzepts hinreichend klein und leicht ausführbar sein, so daß sie beispielsweise am Körper getragen oder teilweise oder ganz in ihn eingepflanzt werden kann.The device according to the invention should be based on a simple apparatus concept and an absolute measurement of the Concentration of an optically active substance also in the presence of other optically active substances with a different one Allow time-concentration behavior and not the limited sensitivity of conventional devices exhibit. Furthermore, the device should not only be able to be used stationary, but also be sufficiently small and easy to implement due to their concept, so that they can, for example worn on the body or partially or fully implanted in it.

Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.The problem is solved according to the claims.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen angegeben.In the subclaims are advantageous embodiments specified.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist den gravierenden Nachteil herkömmlicher Verfahren nicht auf, daß nur Relativmessungen der Konzentration einer optisch aktiven Substanz in Gegenwart weiterer Substanzen mit optischer Aktivität möglich sind, und erlaubt erstmals Absolutbestimmungen, insbesondere eine direkte, verletzungsfreie transkutane Bestimmung des Blucglucosespiegels.The method according to the invention does not have the serious disadvantage of conventional methods that only relative measurements the concentration of an optically active substance in the presence of other substances with optical activity are possible, and for the first time allows absolute determinations, especially a direct, injury-free one transcutaneous determination of the blood glucose level.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur quantitativenThe inventive method for quantitative

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Bestimmung gelöster optisch aktiver Substanzen in wäßrigen oder nicht^wäßrigen Lösungen, insbesondere zur invivo-BeStimmung des Blutglucosespiegels, durch Polarimetrie unterDetermination of dissolved optically active substances in aqueous or non-aqueous solutions, in particular for in vivo determination the blood glucose level, by polarimetry below

- Bestrahlung der Probe mit linear polarisiertem Licht,- irradiation of the sample with linearly polarized light,

- Aufteilung des Lichtstrahls nach dem Durchlaufen der Probe mit einem Strahlteiler in einen Heßstrahl und einen Referenzstrahl,- Splitting of the light beam after passing through the sample with a beam splitter into a hot beam and a reference beam,

- Messung der Intensität des Meß- sowie des Referenzstrahls mit einem Detektor,- Measurement of the intensity of the measuring beam and the reference beam with a detector,

- Erzeugung eines Differenz- oder Quotientensignals aus dem Heß- und Referenzsignal- Generation of a difference or quotient signal from the Hess and reference signals

undand

- Endverstärkung des resultierenden Signals zur Anzeige oder Registrierung- Final amplification of the resulting signal for display or registration

ist dadurch gekennzeichnet, daß zur AbsolutbeStimmung mindestens einer optisch aktiven Substanz in Gegenwart anderer optisch aktiver Substanzen mit unterschiedlichen Konzentrationsänderungsfrequenzenis characterized in that for absolute determination at least one optically active substance in the presence of other optically active substances with different Concentration change frequencies

aus dem resultierenden Differenz- oder Quotientensignal die Signalkomponente(n) mit der Konzentrationsänderungsfrequenz der zu bestimmenden optisch aktiven Substanz(en) von den übrigen Signalkomponenten abgetrennt werden.the signal component (s) with the concentration change frequency from the resulting difference or quotient signal the optically active substance (s) to be determined are separated from the remaining signal components.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Signalteilung durch Frequenzbandtrennung vorgenommen. Hierzu kann ein Hoch- bzw. Tiefpaß bzw. ein Bandpaß herangezogen werden. Ebenso kann die Signalteilung auch durch Differentiation, Anwendung eines Hoch- bzw. Tiefpasses und nachfolgendeAccording to an advantageous development of the method according to the invention, the signal is divided by frequency band separation performed. A high or low pass filter or a band pass filter can be used for this purpose. The signal division can also be achieved by differentiation, the use of a high or low pass and subsequent

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Integration vorgenommen werden. Es ist ferner günstig, eine etwa vorhandene Untergrunddrehung durch Addition einer Gleichstromkomponente zu kompensieren. Integration can be made. It is also advantageous to compensate for any background rotation that may be present by adding a direct current component.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf alle Systeme anwendbar, bei denen die zeitliche Konzentrationsänderung der optisch aktiven Substanzen und damit die zeitliche Änderung der entsprechenden Inkremente des optischen Drehwerts hinreichend voneinander verschieden sind. Die Trennbarkeit der zu den einzelnen optisch aktiven Substanzen gehörigen Drehwertkomponenten hängt von der Steilheit der Dämpfungskurve des zur Frequenzbandtrennung verwendeten Bandpasses ab. Mit üblichen RC-Gliedern lassen sich beispielsweise Frequenzen, die um den Faktor 1,5 voneinander verschieden sind, noch ohne weiteres zur Signalteilung voneinander trennen. Dieser Faktor stellt jedoch keinen Grenzwert dar.The method according to the invention can be applied to all systems where the change in the concentration of the optically active substances over time and thus the change over time Changes in the corresponding increments of the optical rotation value are sufficiently different from one another. the Separability of the rotation value components belonging to the individual optically active substances depends on the Slope of the attenuation curve of the bandpass used for frequency band separation. With the usual RC elements For example, frequencies that differ from one another by a factor of 1.5 can still be used easily separate from each other for signal division. However, this factor is not a limit value.

Die Meßdauer hängt von der Konzentrationsänderungsfrequenz der zu bestimmenden optisch aktiven Komponen-The duration of the measurement depends on the frequency of change in concentration of the optically active components to be determined.

te ab. Bei einer mittleren Frequenz von etwa 10 Hzte off. At an average frequency of around 10 Hz

4 resultiert eine Periodendauer von 10 s und damit eine Mindest-Meßdauer von etwa 3 h.4 results in a period of 10 s and thus a minimum measurement period of about 3 h.

Das erfindungsgemäße Konzept wird im folgenden anhand der in-vivo-GlucoseheStimmung näher erläutert.The concept according to the invention is explained in more detail below with reference to the in vivo glucose atmosphere.

Die Schwierigkeit der Trennung des polarimetrisch gemessenen glucosebedingten Drehwerts von der durch Proteine, Cholesterin und Lipide bedingten Untergrunddrehung"kann erfindungsgemäß infolge des sehr verschiedenen zeitlichen Konzentrationsverlaufs dieser Blutbestandteile überwunden werden.The difficulty of separating the polarimetrically measured glucose-related rotation value from that by proteins, Background rotation caused by cholesterol and lipids "can according to the invention as a result of the very different temporal Concentration course of these blood components are overcome.

Die Glueοsekonzentration im Blut ändert sich mit einer maximalen Frequenz von etwa 8 χ 10*"^ Hz, während sich die Konzentration der Proteine und Blutfette im Normalfall mit einer maximalen Frequenz von etwa ΙΟ"-* Hz ändert.The concentration of glucose in the blood changes with one maximum frequency of about 8 χ 10 * "^ Hz, while the Concentration of proteins and blood lipids normally changes with a maximum frequency of about ΙΟ "- * Hz.

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Aufgrund dieses unterschiedlichen Verhaltens wird erfindungsgemäß eine Trennung der entsprechenden Meßwerte bei der Signalverarbeitung vorgenommen.Because of this different behavior, according to the invention the corresponding measured values are separated during signal processing.

Durch Frequenzbandtrennung, beispielsweise durch Differentiation und anschließende Integration bzw. Differentiation der Signalspannung, Signalteilung zur Abtrennung der tiefen Frequenzen (Hochpaß) und nachfolgende Integration, ggfs unter Addition einer Gleichstromkomponente, die zB vom Ausgang des Differenz- oder Quotientenbildners gewonnen werden kann, wird eine Absolutmessung der Glucosekonzentration ermöglicht. Dabei wird das Amplituden- und Phasenverhalten des Hochpasses vorteilhaft so ausgebildet, daß das gesamte Frequenzband der reinen Glucosedrehung wiederhergestellt wird.Through frequency band separation, for example through differentiation and subsequent integration or Differentiation of the signal voltage, signal division to separate the low frequencies (high pass) and Subsequent integration, possibly with the addition of a direct current component, for example from the output of the Difference or quotient generator can be obtained, an absolute measurement of the glucose concentration enables. The amplitude and phase behavior of the high-pass filter is advantageously designed in such a way that that the entire frequency band of pure glucose rotation is restored.

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Die erfindungsgemäß mögliche Absolutbestimmung der Konzentration einer oder mehrerer optisch aktiver Komponenten in flüssigen Systemen beruht demgemäß darauf, daß das unterschiedliche Zeit-Konzentrations-Verhalten der einzelnen optisch aktiven Komponenten durch Anwendung geeigneter Signaltrennverfahren zur Unterscheidung der betreffenden Substanzen und ihrer selektiven quantitativen Bestimmung ausgenutzt v/ird.The absolute determination of the concentration of one or more optically active components, which is possible according to the invention in liquid systems is based accordingly on the fact that the different time-concentration behavior of the individual optically active components by using suitable signal separation methods to differentiate between the relevant Substances and their selective quantitative determination are exploited.

Die quantitative und zugleich selektive Bestimmung optisch aktiver Substanzen in sehr kleinen Konzentrationen setzt ferner eine hohe Empfindlichkeit der Bestimmungsmethode bzw der entsprechenden Vorrichtung voraus. Bei herkömmlichen Polarimetern erfolgt die Ermittlung des Drehwerts des polarisierten Lichts nach Durchlaufen der Probe mit einem Analysator, der eine Änderung der Intensität des in seiner Polarisationsebene gedrehten Lichts bewirkt (vgl die DE-OS 2 724 54-5), da er nur für Licht voll durchlässig ist, das in seiner Polarisationsrichtung schwingt. Ist die Polarisationsebene des auffallenden Lichts um den Winkel φ zur Polarisationsrichtung des Analysators gedreht, so ergibt sich, da die Intensität proportional zum Quadrat der Amplitude ist, der Zusammenhang The quantitative and at the same time selective determination of optically active substances in very small concentrations also requires a high sensitivity of the determination method or the corresponding device. In conventional polarimeters, the rotation value of the polarized light is determined after passing through the sample with an analyzer which causes a change in the intensity of the light rotated in its plane of polarization (cf. DE-OS 2 724 54-5), since it is only full for light is permeable, which oscillates in its polarization direction. If the plane of polarization of the incident light is rotated by the angle φ to the direction of polarization of the analyzer, the relationship results, since the intensity is proportional to the square of the amplitude

I = Ϊ -cos u;· (1).I = Ϊ -cos u; · (1).

Für die Empfindlichkeit derartiger herkömmlicher Polarimeter folgt darausFor the sensitivity of such conventional polarimeters it follows

Sr = Io.2-cosp-siny> (2).Sr = I o .2-cosp-siny> (2).

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Gleichung (2) stellt den formelmäßigen Ausdruck für die bekannte Tatsache dar, daß bei einer Verdrehung der Polarisationsebene um 4-5 ° zur ursprünglichen Polarisationsrichtung maximale Empfindlichkeit resultiert. Bei Anordnungen mit Strahlteiler, wie etwa aus der CH-PS 441 814 sowie der DE-OS 2 724 54-3 bekannt, ist die Empfindlichkeit von der Absolutintensität unabhängig, und es giltEquation (2) represents the formulaic expression for the known fact that when the plane of polarization is rotated maximum sensitivity results by 4-5 ° to the original polarization direction. With orders with a beam splitter, as known from CH-PS 441 814 and DE-OS 2 724 54-3, the sensitivity is independent of the absolute intensity, and it applies

Die Empfindlichkeit herkömmlicher Polarimeter, bei denen die Drehung der Polarisationsebene des nach der Probe resultierenden Lichts gegenüber der Polarisationsebene des Lichts vor der Probe mit einem Analysator bestimmt wird, ist daher theoretisch begrenzt.The sensitivity of conventional polarimeters, in which the rotation of the plane of polarization of the resulting sample Light is determined with an analyzer in relation to the polarization plane of the light in front of the sample, is therefore theoretically limited.

Eine Erhöhung der Empfindlichkeit wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das polarisierte Licht der Lichtquelle, bevor es zur Probe gelangt, zunächst einen Modulator durchläuft. Das von der Probe ausgehende Signalfrequenzband ist demgemäß zweifach moduliert (zweifache Lichtmodulation). Der erste Modulator (zB ein Faraday-Modulator) arbeitet im Nieder- oder Hochfrequenzbereich, je nachdem, welche höchste Frequenz die Lichtdetektoren verarbeiten können. Als Beispiel sei im einfachsten Fall 1000 Hz genannt. Nach dem Durchlaufen der Probe ist die Lichtfrequenz zweifach (phasen-) moduliert. Somit muß auch zweimal demoduliert werden. Die erste Demodulation kann zB durch Ausnutzung der Abhängigkeit des Reflexionskoeffizienten vom Azimutwinkel erfolgen. Die dabei erhaltene Nieder-(Hoch-) frequenz kann dann in einem Wechselstromverstärker (einem selektiven Verstärker oder Lock-in-Verstärker) verstärkt und dann (das zweite Mal) demoduliert werden. Auf dieseAn increase in sensitivity is achieved according to the invention in that the polarized light from the light source, before it reaches the sample, it first passes through a modulator. The signal frequency band emanating from the sample is accordingly modulated twice (double light modulation). The first modulator (e.g. a Faraday modulator) works in the low or high frequency range, depending on which highest frequency the light detectors process can. The simplest example is 1000 Hz. After passing through the sample is the light frequency twice (phase) modulated. This means that demodulation must also be carried out twice. The first demodulation can, for example, by Exploitation of the dependence of the reflection coefficient from the azimuth angle. The resulting low (high) frequency can then be used in an AC amplifier (a selective amplifier or lock-in amplifier) and then demodulated (the second time). To this

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Weise kann das die Empfindlichkeit begrenzende Signal-Rausch-Verhältnis erfindungsgemäß um mindestens eine Größenordnung verbessert werden.Way can the sensitivity limiting signal-to-noise ratio according to the invention can be improved by at least an order of magnitude.

Anstelle der Phasenmodulation kann der Lichtstrahl ebenso eine Frequenz- oder Amplitudenmodulation aufweisen, wobei dann die Demodulationseinrichtung (zweiter Demodulator) auf die jeweilige Modulationsart abzustimmen ist.Instead of phase modulation, the light beam can also have frequency or amplitude modulation, the demodulation device (second demodulator) then having to be adapted to the respective type of modulation is.

Eine weitere Möglichkeit zur Empfindlichkeitssteigerung besteht erfindungsgemäß darin, daß der bisher als zwingend erforderlich angesehene Analysator (erster Demodulator) , mit dem dieAnother way to increase sensitivity According to the invention, the analyzer (first demodulator) that was previously regarded as essential with which the

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probenbecjingte Drehung der Polarisationsebene des eingestrahlteij Lichts ermittelt wurde, weggelassen wird: Trifft ein polarisierter Lichtstrahl, der zuerst die Probe und g|f auch den Modulator durchsetzt hat, auf eine planparajlele Platte, die gleichzeitig auch als Strahlteiler dient, so ist die reflektierte Intensität vom Einfallswinkel oL sowie vom Azimutwinkel ψ , dh dem Winkel der Schwingungsebene des eingestrahlten Lichts zur Einfallsebeiie, abhängig; der durch die Platte hindurchgehende Anteil, dh die Intensität des gebrochenen Lichts, ist ebenfalls in bekannter Weise vom Winkel oL abhängig (vgl zB Bergmann, Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Bd III, (|ptik, V/alter de Gruyter & Co Verlag, Berlin (1966)), Dabei is1
Bereich c
während c
specimen-related rotation of the polarization plane of the incident light was determined, is omitted: If a polarized light beam, which first passed through the sample and g | f also the modulator, hits a plane-parajlele plate, which also serves as a beam splitter, the reflected intensity is from Angle of incidence oL as well as the azimuth angle ψ , ie the angle of the plane of oscillation of the incident light to the incidence. the portion passing through the plate, i.e. the intensity of the refracted light, is also dependent in a known way on the angle oL (cf. e.g. Bergmann, Schäfer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Vol III, (| ptik, V / alter de Gruyter & Co Verlag, Berlin (1966)), with is1
Area c
while c

i bemerkenswert, daß der Reflexionskoeffizient im berhalb des Folarisationswinkels stark zunimmt, er Durchlässigkeitskoeffizient im genannten Bereich abnimmt,i remarkable that the reflection coefficient increases sharply above the folarization angle, the permeability coefficient decreases in the specified range,

Die Empfindlichkeit kann aus der Änderung des Reflexionskoeffizi4nten sowie des Durchlässigkeitskoeffizienten durch Bildung der Ableitung nach dem Winkel oL berechnet v/erden. Ip. erster Näherung genügt es, den Reflexions-. koeffizi^Lten zu betrachten, da sich der Durchlässigkeitskoeifizient weniger stark mit OL ändert. Weiterhin muß noch ,die Ableitung nach dem Azimutwinkel ψ durchgeführt weJden, da bei der polarimetrischen Messung ja nur dieser geändert wird. Daraus folgt für die Änderung des Reflexiorffikoeffizienten als Empfindlichkeit desThe sensitivity can be calculated from the change in the reflection coefficient and the transmission coefficient by forming the derivative according to the angle oL. Ip. first approximation it is sufficient to use the reflection. coefficient, since the permeability coefficient changes less strongly with OL . Furthermore, the derivation must be carried out according to the azimuth angle ψ , since only this is changed in the polarimetric measurement. From this it follows for the change in the reflection coefficient as the sensitivity of the

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ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

erfindungsgemäßen Polarimeters:polarimeter according to the invention:

wobei bedeuten:where mean:

$ den Reflexionskoeffizienten (Schwingungsebene der p Strahlung parallel zur Einfallsebene),$ the reflection coefficient ( plane of oscillation of the p radiation parallel to the plane of incidence),

oL den Einfallswinkel der Strahlung, zum Einfallslot hin gemessen,oL the angle of incidence of the radiation, to the perpendicular measured

ψ den Winkel der einfallenden Strahlung zur Ein- ψ the angle of the incident radiation to the entrance

fallsebene,case level,

φ den Winkel der reflektierten Strahlung zur Einr fallsebene undφ the angle of the reflected radiation r case level for A and

η den Brechungsindex (Luft-reflektierendes Medium).η the refractive index (air-reflecting medium).

Die quantitative Auswertung der Gleichung (4) für die Werte η - 1,5, ye = 5,7 ° und OC - 70 ° ergibt unter Mitberücksichtigung der Änderung des Durchlässigkeitskoeffizienten den Paktor 16 für die Steigerung der Empfindlichkeit gegenüber einem herkömmlichen Polarimeter, für das Gleichung (3) gilt; der Faktor 16 setzt sich aus dem Faktor 8 der Änderung des Reflexionskoeffizienten und dem Faktor 2 der Änderung des Durchlässigkeitskoeffizienten zusammen. Ein derartiges erfindungsgeBäfles Polarimeter weist somit eine gegenüber herkömmlichen Polarimetemwesentlich erhöhte Empfindlichkeit auf.The quantitative evaluation of equation (4) for the values η - 1.5, y e = 5.7 ° and OC - 70 °, taking into account the change in the permeability coefficient, gives the factor 16 for the increase in sensitivity compared to a conventional polarimeter for equation (3) holds; the factor 16 is composed of the factor 8 of the change in the reflection coefficient and the factor 2 of the change in the transmission coefficient. Such a polarimeter according to the invention thus has a sensitivity that is significantly higher than that of conventional polarimeters.

Daraus folgt, daß erfindungsgemäß der herkömmliche Analysator entfallen kann, wenn die Reflexion am optisch dünneren oder dichteren Medium zur (ersten) Demodulation ausgenutzt wird; dabei kann der reflektierte Strahl als Meßstrahl und der gebrochene Strahl als Referenzstrahl verwendet werden, wobei diese Zuordnung jedoch nicht zwingend ist.It follows that, according to the invention, the conventional analyzer can be omitted if the reflection is optically thinner or a denser medium is used for the (first) demodulation; the reflected beam can be used as a measuring beam and the refracted beam can be used as a reference beam, although this assignment is not mandatory.

Anstelle der planparallelen Platte, die bei derInstead of the plane-parallel plate that was used in the

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erfindungsgemäßen Anordnung als Strahlteiler sowie als erster Demodulator verwendet wird, läßt sich gemäß der Erfindung auch ein Prisma verwenden. Dabei wird das Prisma so durchstrahlt, daß der polarisierte Lichtstrahl, der von der Probe kommt, senkrecht auf eine Prismenfläche auftrifft, so daß keine Reflexion auftritt. Erst an derrückwärtigen Prismenfläche zum dünneren Medium hin wird der Lichtstrahl in einen reflektierten und in einen gebrochenen Strahl aufgeteilt. Der reflektierte Strahl wird beim Austritt aus dem Prisma ebenfalls gebrochen. Somit resultiert eine im Prinzip gleiche Anordnung wie bei der planparallen Platte erläutert; der reflektierte Strahl liefert vorzugsweise die Signalspannung, während der gebrochene Strahl die Referenzspannung ergibt.The arrangement according to the invention is used as a beam splitter and as a first demodulator can be according to the invention also use a prism. The prism is penetrated in such a way that the polarized light beam emitted by the sample comes, hits a prism surface perpendicularly, so that no reflection occurs. Only at the rear Prism surface towards the thinner medium, the light beam is reflected in a reflected and a refracted one Split beam. The reflected beam is also refracted when it exits the prism. Consequently the result is an arrangement that is basically the same as that explained for the plane-parallel plate; the reflected ray preferably provides the signal voltage, while the refracted beam gives the reference voltage.

Diese Anordnung mit einem Prisma hat den Vorteil, daß sich der Reflexionskoeffizient bei geeigneter Wahl der Prismenwinkel sehr stark mit dem Winkel <~X_ ändert. Daraus resultiert eine weiter verbesserte Empfindlichkeit. Darüberhinaus ist bei dieser Anordnung eine Änderung der Intensität des gebrochenen Lichts, dh die Änderung des Durchlässigkeitskoeffizienten, ohne Einfluß, da man die Prismenwinkel so wählen kann, daß der Referenzstrahl und der Signalstrahl das Prisma unter dem gleichen Winkel verlassen. Dies ist zB bei einem Prisma mit den Winkeln &>, 2oC und (180 - 3 ot.) der Fall. Die theoretisch für diesen Fall erreichbare Empfindlichkeit kann ebenso wie Gleichung (4) aus den Fresnelschen Formeln berechnet werden. Dabei resultiert dieselbe Gleichung mit dem einzigen Unterschied, daß gegenüber Gleichung (4) statt des Brechungsindex η sein Reziprokwert 1/n steht. Obwohl die so erhaltene Gleichung formal Gleichung (4) entspricht, führt sie doch zu erheblich unterschiedlichen Konsequenzen. So wird zB die Empfindlichkeit für den Grenzwinkel der Totalreflexion unendlich groß. Sie ist jedoch bereits für den Polarisationswinkel je nach demThis arrangement with a prism has the advantage that the reflection coefficient changes very strongly with the angle <~ X_ given a suitable choice of the prism angle. This results in a further improved sensitivity. Furthermore, with this arrangement, a change in the intensity of the refracted light, ie the change in the transmission coefficient, has no influence, since the prism angles can be selected so that the reference beam and the signal beam leave the prism at the same angle. This is the case, for example, with a prism with angles &>, 2oC and (180 - 3 ot.). The theoretically achievable sensitivity for this case can be calculated from the Fresnel formulas, just like equation (4). The result is the same equation with the only difference that compared to equation (4), instead of the refractive index η, its reciprocal value 1 / n is used. Although the equation obtained in this way corresponds formally to equation (4), it leads to considerably different consequences. For example, the sensitivity for the critical angle of total reflection becomes infinitely great. However, it is already depending on the polarization angle

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Azimutwinkel ψ um den Faktor 3 größer als jene bei Verwendung einer planparallelen Platte. Insgesamt ergibt sich bei dieser Anordnung eine gegenüber herkömmlichen Polarimetern um zwei Größenordnungen höhere Auflösung. Die ausnutzbare Auflösung (Empfindlichkeit) der erfindungsgemäßen Anordnung ist vom geforderten Meßbereich des Polarimeters abhängig, beispielsweise von der maximal zu messenden Vinkeländerung. Wenn beispielsweise ein Meßbereich von +0,5 ° angenommen wird, ergibt sich rechnerisch mit n = 1,5> ψ e = 5>7 ° und °*- = 4-1 »2 ° eine um den Faktor 100 verbesserte Empfindlichkeit.Azimuth angle ψ larger by a factor of 3 than when using a plane-parallel plate. Overall, this arrangement results in a resolution that is two orders of magnitude higher than that of conventional polarimeters. The usable resolution (sensitivity) of the arrangement according to the invention depends on the required measuring range of the polarimeter, for example on the maximum change in angle to be measured. If, for example, a measuring range of +0.5 ° is assumed, then arithmetically with n = 1.5> ψ e = 5> 7 ° and ° * - = 4-1 »2 ° the sensitivity is improved by a factor of 100.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the drawing; show it:

Fig. 1 bis 8: schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Polarimeters 1 to 8: schematic representations of different embodiments of the polarimeter according to the invention

undand

Fig. 9: eine spezielle Bauweise des erfindungsgemäßen Polarimeters zur verletzungsfreien transkutanen Blutzuckerbestimmung.Fig. 9: a special construction of the invention Polarimeter for injury-free transcutaneous blood sugar determination.

In den Figuren besitzen die Bezugs ζ aiii en folgende Bedeutung: In the figures, the references ζ aiii en have the following meaning:

1 = eine Lichtquelle, die linear polarisiertes Licht1 = a light source that is linearly polarized light

emittiert,emitted,

2 = erster Modulator,2 = first modulator,

3 = Probe,3 = sample,

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4 = λ /4-Plättchen,4 = λ / 4 plate,

5 = Strahlteiler, erster Demodulator, Analysator,5 = beam splitter, first demodulator, analyzer,

6 = Analysator,6 = analyzer,

7 und 7* = Detektor,beispielsweise Photodiode, Photo-7 and 7 * = detector, e.g. photodiode, photo

multiplier, Phototransistor udgl,multiplier, phototransistor, etc.

8 = Differenzverstärker oder Quotientenbildner,8 = differential amplifier or quotient generator,

9 = Verstärker, zweiter Demodulator,9 = amplifier, second demodulator,

10 = Anzeige-, Ausgabe- oder Registriereinrichtung,10 = display, output or registration device,

11 = Frequenzgenerator,11 = frequency generator,

12 = Differenzierglied,12 = differentiator,

13 = Signalteiler,13 = signal divider,

14 = Integrator oder Gleichstromaddierer,14 = integrator or direct current adder,

15 = Verstärker.15 = amplifier.

+ bzw. - bedeuten bei einem Differenzverstärker den positiven bzw. negativen Eingang, bei einem Quotientenbildner den Zähler bzw. Nenner+ and - mean the positive or negative input for a differential amplifier, and the numerator or denominator for a quotient generator

♦ bezeichnet das Referenzsignal. In Fig. 1 ist eine erste erfindungsgetnäße Vorrichtung dargestellt, bei der die Selektion des der zu bestimmenden Komponente zugeordneten Drehwerts durch einen Signalteiler J_5 erfolgt, beispielsweise einen Hochpaß für den Fall der Glucosebestitnraung in Gegenwart anderer optisch aktiver Blutbestandteile.♦ denotes the reference signal. In Fig. 1 is a first inventive device shown in the selection of the rotation value assigned to the component to be determined by a signal divider J_5 takes place, for example a high pass for the Case of glucose determination in the presence of others optically active blood components.

Durch die Strahlteilung wird ein vom Absolutwert des Signals unabhängiger Analysenwert erhalten. Als Lichtquelle J_ kann sowohl eine herkömmliche Lichtquelle mit Polarisator als auch beispielsweise ein Laser oder eine Laserdiode verwendet v/erden. Das λ /Μ— Plättchen 4 dient zur Korrektur der Depolarisationswirkung beispielsweise von durchstrahlter Haut oder in der Nähe der Meßstelle liegender Gewebeteile. Der Verstärker 1j> entspricht demThe beam splitting gives an analysis value that is independent of the absolute value of the signal. Both a conventional light source with a polarizer and, for example, a laser or a laser diode can be used as the light source J_. The λ / Μ plate 4 is used to correct the depolarization effect of, for example, irradiated skin or tissue parts lying in the vicinity of the measuring point. The amplifier 1j> corresponds to this

1 30020/02661 30020/0266

as ;■:;■■ \- -,. _ as ; ■:; ■■ \ - - ,. _

herkömmlichen Endverstärker.conventional power amplifier.

Fig. 2 entspricht prinzipiell der Anordning von Fig. 1, wobei jedoch zusätzlich ein Modulator 2_ forgesehen ist, der vom Frequenzgenerator IJ- angesteuert!wird. Als Modulatorkönnen beispielsweise ein Faraday-Modulator, ein Lichtmodulator aufgrund des Kerr-Effektsj ein Lichtamplitudenmodulator wie beispielsweise eine gepulste Laserdiode oder ein Phasenmodulator, also eine die Lichtweglänge verändernde optische Einrichtung, dienen; Der Generator 11, der die Modulationsfrequenz liefert, ;ist mit dem Verstärker 9, verbunden, der auf die Modulationsfrequenz des Frequenzgenerators 21 abgestimmt ist. AIa Verstärker 9. kann beispielsweise ein selektiver Verstärker dienen, insbesondere ein Lock-in-Verstärker. Die 'Anordnung von Fig. 2, bei der der Lichtstrahl vor dem ijintritt in die Probe moduliert und nach der Signalverarbeitung im Differenzverstärker bzw Quotientenbildner IS Im1 Verstärker 9[ wieder demoduliert wird, dient zur Erhöh\ing der Meßempfindlichkeit. Fig. 2 corresponds in principle to the anordning of Figure 1, but in addition, a modulator is forge see 2_, which from the frequency generator IJ -. Is driven!. A Faraday modulator, a light modulator based on the Kerr effect, a light amplitude modulator such as a pulsed laser diode or a phase modulator, that is to say an optical device that changes the length of the light path, can serve as the modulator; The generator 11, which supplies the modulation frequency, is connected to the amplifier 9, which is tuned to the modulation frequency of the frequency generator 21. AIa amplifier 9 can serve, for example, a selective amplifier, in particular a lock-in amplifier. The arrangement of FIG. 2, in which the light beam is modulated before entering the sample and demodulated again after signal processing in the differential amplifier or quotient generator IS Im 1 amplifier 9, serves to increase the measurement sensitivity.

Fig. 3 entspricht im Prinzip der Vorrichtiung von Fig. 1, wobei die Selektion des der zu bestimmenden Komponente zugeordneten Drehwertinkrements aufgrund der unterschiedlichen Zeit-Konzentrations-Charakteristik1 unter Verwendung eines Differenzierglieds j22, eines Signalteilers._^5, beispielsweise eines Hochpasses bei der in-vivo-Glucosebestimmung, und eines Integrators 14 vorgenommen wird.Fig. 3 corresponds in principle to the device of Fig. 1, the selection of the rotation value increment assigned to the component to be determined on the basis of the different time-concentration characteristic 1 using a differentiator j22, a signal splitter ._ ^ 5, for example a high-pass filter in the in vivo glucose determination, and an integrator 14 is made.

Durch die Selektion des der zu bestimmenden Komponente zugeordneten Drehwertε von den Drehwertinkrementen, die durch optisch aktive Begleitsubstanzen mit abweichendemBy selecting the rotation value ε associated with the component to be determined from the rotation value increments that are determined by optically active accompanying substances with deviating

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ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

29U11329U113

Zeit-Konzentrations-Verhalten bedingt sind, wird entsprechend eine Absolutmessung, also die Bestimmung der Konzentration einer optisch aktiven Komponente in Gegenwart anderer optisch aktiver Komponenten, ermöglicht, sofern das Zeit-Konzentrations-Verhalten der zu bestimmenden Komponente von dem der Begleitkomponenten hinreichend verschieden ist.Time-concentration behavior are conditioned, an absolute measurement is accordingly, i.e. the determination the concentration of an optically active component in the presence of other optically active components, made possible, provided that the time-concentration behavior of the component to be determined differs from that of the accompanying components is sufficiently different.

Die in Fig. 4 dargestellte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtiong unterscheidet sich von der in Fig. 3 dargestellten durch die zusätzliche Modulation durch den Modulator _2, der vom Frequenzgenerator j1J_ gesteuert wird, sowie die Demodulationsstufe des Verstärkers _9, der auf die Modulationsfrequenz des Frequenzgenerators 1J_ abgestimmt ist. Durch diese Anordnung kann gegenüber der Anordnung von Fig. 3 eine Erapfindlichkeitssteigerung um mindestens eine dekadische Größenordnung erzielt werden, wodurch entsprechend Absolutbestimmungen optisch aktiver Komponenten in sehr kleinen Konzentrationen möglich sind. Gleiches gilt für die Anordnung von Fig. 2.The development of the device according to the invention shown in FIG. 4 differs from that in FIG. 3 represented by the additional modulation by the modulator _2, which is controlled by the frequency generator j1J_, and the demodulation stage of the amplifier _9, which is tuned to the modulation frequency of the frequency generator 1J_ is. Compared to the arrangement of FIG. 3, this arrangement can increase the sensitivity by at least a decade order of magnitude can be achieved, whereby corresponding absolute determinations of optically active components are possible in very small concentrations. The same applies to the arrangement of FIG. 2.

Die in Fig. 5 dargestellte apparative Variante beruht, abgesehen von der analogen Signalteilung unter Selektion des Drehwerts der zu bestimmenden Komponente wie in den Fig. 1, 2, 3 und 4, auf dem erfindungsgemäß neuartigen Konzept der Empfindlichkeitssteigerung durch Weglassen des herkömmlichen Analynators/bei gleichzeitiger Vertauschung von Meß- und Re.ferenzzweig gegenüber herkömmlichen Anordnungen mit Strahlteiler und Analysator. Als Strahlteiler, der, wie oben theoretisch erläutert, auch als eine Art Analysator wirkt (als erster Demodulator), ist in Fig. 5 eine planparallele Platte Ei, die beispielsweise aus Kronglas besteht,The variant of the apparatus shown in FIG. 5 is based apart from the analog signal division with selection of the rotation value of the component to be determined as in the 1, 2, 3 and 4, on the inventive concept of increasing sensitivity by omission of the conventional analyzer / with simultaneous exchange of measurement and reference branch compared to conventional ones Arrangements with beam splitter and analyzer. As a beam splitter, which, as theoretically explained above, also as a a kind of analyzer acts (as a first demodulator), in Fig. 5 is a plane-parallel plate Ei, which for example consists of crown glass,

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verwendet. Der an der Oberfläche reflektierte Strahl wird zum Detektor 1J. geleitet, der die Lichtintensität in ein elektrisches Signal umsetzt, während der gebrochene Anteil nach Durchlaufen der planparallelen Platte auf den Detektor 2JL trifft und dort das Referenzsignal erzeugt. In Q wird die Differenz bzw der Quotient der beiden Signale gebildet, was, nach der erläuterten Signalselektion der zu bestimmenden Komponente, in IC) angezeigt und/oder registriert wird.used. The light reflected at the surface of beam is directed to the detector 1 J., which converts the light intensity into an electrical signal, while the fractional part after passing through the plane-parallel plate impinges on the detector 2JL and generates the reference signal. In Q , the difference or the quotient of the two signals is formed, which, after the explained signal selection of the component to be determined, is displayed and / or recorded in IC).

Durch geeignete Auswahl des Winkels 'x und ggf auch durch mindestens teilweise Verspiegelung der planparallelen Platte an der Rückseite oder Vorderseite kann die Intensität der auf die beiden Detektoren 2. ^11^ Zl gelangenden Strahlung auf den gleichen Wert eingestellt werden. Der Verstärker JIj?, der zur Korrektur einen angepaßten Phasengang (Allpass) aufweisen kann, verstärkt dabei das Signal nochmals im Sinne eines Endverstärkers.By appropriate selection of the angle 'x and optionally also by at least partially reflective coating of the plane-parallel plate on the back or front side, the intensity of the two detectors 2 ^ 11 ^ Zl entering radiation set at the same value. The amplifier JIj ?, which can have an adapted phase response (all-pass) for correction, amplifies the signal again in the sense of an output amplifier.

Die in Fig. 6 dargestellte Vorrichtung stellt eine erfindungsgemäß besonders bevorzugte Ausführungsform dar und entspricht der Anordnung von Fig. 5 mit dem Unterschied, daß demgegenüber noch vom erfindungsgemäßen ModulationsprinzipThe device shown in FIG. 6 represents a particularly preferred embodiment according to the invention and corresponds to the arrangement of FIG. 5 with the difference that in contrast to the modulation principle according to the invention

,„ . ..moduiati,on.sver£ahren) , . -ι . ι ·, (Zweifach / Gebraucn gemacht ist, wobei das von der Lichtquelle emittierte Licht durch den vom Frequenzgenerator V\_ gesteuerten Modulator moduliert und anschließend in S^ in abgestimmter V/eise wieder demoduliert wird, wodurch die Empfindlichkeit ebenfalls gesteigert \*erden kann., ". ..moduiati, on.sver £ ahren),. -ι. ι ·, (is made twice / in use, whereby the light emitted by the light source is modulated by the modulator controlled by the frequency generator V \ _ and then demodulated again in S ^ in a coordinated manner, whereby the sensitivity can also be increased .

In Fig. 7 ist eine zur Anordnung von Fig. 5 alternative Ausführungsform dargestellt, bei der als ütrahlteiler mit Analysatorfunktion ein Prisma verwendet ist. Die Reflexion erfolgt abweichend von den Fällen der Fig. 5 und 6, hei denen am optisch dichteren Medium reflektiert wird, amFIG. 7 shows an alternative to the arrangement of FIG Embodiment shown in which as a beam splitter with Analyzer function a prism is used. The reflection takes place differently from the cases of FIGS. 5 and 6, in which the optically denser medium is reflected on

Ί 30020/0266Ί 30020/0266

- 3β -- 3β -

optisch dünneren Medium. Der polarisierte Lichtstrahl gelangt nach Durchlaufen der Probe J5 und des λ/4—Plättchens 4 zum Prisma J5, an dessen rückwärtiger Grenzfläche der Strahl unter dem Winkel oL zur Flächennormalen auftrifft. Der Strahl wird dabei teilweise durchgelassen und teilweise reflektiert. Der reflektierte Teil des Strahls wird an der zweiten rückwärtigen Fläche nochmals reflektiert und teilweise durchgelassen. Beim Austritt aus dem Prisma wird der Strahl gebrochen, trifft auf den Detektor 1J. ιαηα erzeugt die Signal spannung. Die durchgelassene Teilintensität der ersten Reflexion an der rückwärtigen Prismenfläche gelangt zum Detektor 21. vn^i erzeugt dort ein Referenzsignal. Die Ausgangsspannungen der Detektoren 7. un(^ Zl werden in Q subtrahiert oder dividiert, in 9, verstärkt, in 1j5 selektiert und nach Endverstärkung in _10_ angezeigt.optically thinner medium. After passing through the sample J5 and the λ / 4 plate 4, the polarized light beam arrives at the prism J5, at the rear boundary surface of which the beam strikes at the angle α to the surface normal. The beam is partially transmitted and partially reflected. The reflected part of the beam is reflected again on the second rear surface and partially transmitted. When exiting the prism, the beam is refracted and hits the detector 1 J. ιαη α generates the signal voltage. The transmitted partial intensity of the first reflection on the rear prism surface reaches the detector 21. vn ^ i generates a reference signal there. The output voltages of the detectors 7. un ( ^ Zl are subtracted or divided in Q , amplified in 9, selected in 1j5 and displayed after final amplification in _10_.

Die durch das erfindungsgeuiabe Konzept erzielbare apparative Vereinfachung ist aus dem Vergleich der Vorrichtungen der Figuren 5 und 7 mit der Vorrichtung von Fig. 2 zu ersehen, bei denen jeweils eine vergleichbare Empfindlichkeit erzielt wird.The apparatus that can be achieved by the concept of the invention Simplification is from comparing the devices of FIGS. 5 and 7 with the device of FIG. 2, in each of which a comparable sensitivity is achieved.

Die in Fig. 0 dargestellte Vorrichtung stellt eine erfindungsgemäß besonders bevorzugte weitere Ausführungsform dar und entspricht bis auf die zusätzliche Modulation (Modulator 2, Frequenzgenerator _1_1_, abgestimmter Verstärker 9) der Vorrichtung von Fig. 7.The device shown in FIG. 0 represents a further embodiment which is particularly preferred according to the invention and, apart from the additional modulation (modulator 2, frequency generator _1_1_, tuned amplifier 9), corresponds to the device of FIG. 7.

Der Verstärker Jj> ist zwar bei der Vornahme einer Frequenzbandtrennung theoretisch erforderlich, kann aber entfallen, wenn der Phasenfehler in der Eichkurve näherungsweise berücksichtigt wird:The amplifier Jj> is in the process of performing a frequency band separation theoretically required, but can be omitted if the phase error is approximately taken into account in the calibration curve will:

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'~Vf~ 29U113 '~ Vf ~ 29U113

In Fig. 9 ist schließlich ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, bei der der optische bzw polarimetrische Teil a. miniaturisiert ist. Der Heßteil a. kann nach dieser Ausführungsform am Ohr bzw. Ohrläppchen befestigt v/erden. Der Stromversorgungsteil und Signal verarbeitungsteil b ist dabei vom polarimetrischen Teil a. getrennt; dieser Teil der Vorrichtung kann zB in einer Jackentasche untergebracht werden. Die Anzeige erfolgt durch eine Anzeigeeinrichtung £, die beispielsweise nach Art einer Armbanduhr gestaltet ist und am Handgelenk getragen werden kann; die Anzeigeeinrichtung kann ferner auch in Schmuck wie beispielsweise einen Armreif, Ring odgl integriert sein.Finally, FIG. 9 shows an exemplary embodiment of a device according to the invention in which the optical or polarimetric part a. is miniaturized. The hot part a. can be attached to the ear or earlobe according to this embodiment. The power supply part and signal processing part b is from the polarimetric part a. separated; this part of the device can be accommodated in a jacket pocket, for example. The display is carried out by a display device £ which is designed, for example, in the manner of a wristwatch and can be worn on the wrist; the display device can also be integrated into jewelry such as a bracelet, ring or the like.

Der polarimetrische optische Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann miniaturisiert bzw mikrominiaturisiert und vom Stromversorgungs- und Signalverarbeitungsteil bzw vom Anzeigeteil getrennt sein, was insbesondere für in-vivo-Nessungen vorteilhaft ist. Der polarimetrische Teil kann erfindungsgemäß entweder, wie in Fig. 9 dargestellt, an einem geeigneten Körperteil befestigt oder getragen v/erden oder auch in den Körper eingepflanzt sein. Die Anzeige der Konzentration der zu bestimmenden optisch aktiven Substanz, beispielsweise der Blutglucose, kann sowohl im Stromversorgung- bzw Signalverarbeitungsteil als auch davon getrennt erfolgen und digital oder analog sein. Us ist ferner auch möglich, daß bei einer einstellbaren oberen und/oder unteren Signal- und damit Konzentrationsschwelle ein akustisches und/oder optisches Warnsignal ausgelöst wird. Ferner kann die Konzentration der zu bestimmenden oder überwachenden Substanz beispielsweise durch Tastendruck oder automatisch durch ein optisches oder akustisches Signal an[;e;zeigt werden. Auch Iionzentrationsänderungen wie beispielsweise ein Steigen oder Fallen des Blutzuckers kann durch entsprechende Modifizierung der erfindimgsgemäßen Vorrichtung angezeigt oder signalisiert wez'den.The polarimetric optical part of the device according to the invention can be miniaturized or microminiaturized and from the power supply and signal processing part or be separated from the display part, which is particularly advantageous for in-vivo measurements. The polarimetric According to the invention, part can either be attached to a suitable part of the body, as shown in FIG. 9, or carried v / ground or implanted in the body. The display of the concentration of the to be determined optically active substance, for example blood glucose, can be used both in the power supply and in the signal processing part as well as separate from it and be digital or analog. Us is also possible that with an adjustable upper and / or lower signal and thus concentration threshold an acoustic and / or visual warning signal is triggered. Furthermore, the concentration of the substance to be determined or monitored can be, for example by pressing a button or automatically by an optical or acoustic signal. Also ion concentration changes such as a rise or fall in blood sugar can be modified by appropriate modification the device according to the invention is displayed or signaled.

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Claims (1)

BEETZ-LAMPRECHT-BEETZ Steinsdorfstr. 10 · D-8000 München 22 Telefon (089) 227201 - 227244 - 295910 Telex 5 22048 - Telegramm Allpatent München BEETZ-LAMPRECHT-BEETZ Steinsdorfstr. 10 D-8000 Munich 22 Telephone (089) 227201 - 227244 - 295910 Telex 5 22048 - Telegram Allpatent Munich PATENTANWÄLTE ; Üipi-Ing. H?ÖEhYz sen. " Dipl.-Ing. K. LAMPRECHT Dr.-Ing. R. BEETZ jr.Patent attorneys; Üipi-Ing. H? ÖEhYz sen. " Dipl.-Ing. K. LAMPRECHT Dr.-Ing. R. BEETZ jr. RECHTSANWALT Dipl.-Phys. Dr. jur. U. HEIDRICH Dr.-Ing. W. TIMPELAWYER Dipl.-Phys. Dr. jur. U. HEIDRICH Dr.-Ing. W. TIMPE Dipl.-Ing. J. SIEGFRIEDDipl.-Ing. J. SIEGFRIED Priv.-Doz. Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. W. SCHMITT-FUMIANPriv.-Doz. Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. W. SCHMITT-FUMIAN 31. Okt. 1979Oct. 31, 1979 AnsprücheExpectations ι 1w ι 1w 1w Verfahren zur quantitativen Bestimmung gelöster optisch aktiver Substanzen in wäßrigen oder nichi^jnräßrigen Lösungen, insbesondere zur in-vivo-Bestimmung des Blutglucosespiegels,1w Method for the quantitative determination of dissolved optically active substances in aqueous or non-aqueous Solutions, especially for the in-vivo determination of blood glucose levels, durch Polarimetrie unterby polarimetry under - Bestrahlung der Probe mit linear polarisiertem Licht,- irradiation of the sample with linearly polarized light, - Aufteilung des Lichtstrahls nach dem Durchlaufen der Probe mit einem Strahlteiler in einen Meßstrahl und einen Referenzstrahl,- Distribution of the light beam after passing through the sample with a beam splitter into a measuring beam and a reference beam, - Messung der Intensität des Heß- sowie des" Referenzstrahls mit einem Detektor,- Measurement of the intensity of the Heß and the "reference beam" with a detector, - Erzeugung eines Differenz- oder Quotientensignals aus dem Meß- und Referenzsignal- Generation of a difference or quotient signal from the measurement and reference signal undand - Endverstärkung des resultierenden Signals zur Anzeige oder Registrierung,- final amplification of the resulting signal for display or registration, dadurch gekennzeichnet,characterized, daß zur Absolutbestimmung mindestens einer optischthat for absolute determination at least one optically 709-X-2066-SF/NU709-X-2066-SF / NU 130020/0266130020/0266 ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED 29U11329U113 aktiven Substanz in Gegenwart anderer optisch aktiver Substanzen mit unterschiedlichen Konzentrationsänderung sfrequenzenactive substance in the presence of other optically active Substances with different frequencies of change in concentration aus dem resultierenden Differenz- oder Quotientensignal die Signalkomponente(n) mit der Konzentrationsänderungsfrequenz der zu bestimmenden optisch aktiven Substanz(en) von den übrigen Signalkomponenten abgetrennt werden.from the resulting difference or quotient signal the signal component (s) with the concentration change frequency the optically active substance (s) to be determined are separated from the other signal components will. ?. Vorführern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ,'Jignalteilung durch !''requenzbandtrennung vorgenommen wird. ?. Demonstrators according to Claim 1, characterized in that the "signal division by!""Frequency band separation is carried out. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalteilung durch Differentiation und nachfolgende Integration vorgenommen wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the signal division by differentiation and subsequent integration is made. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalteilung mit einem Hoch- oder Tiefpaß vorgenommen wird.4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that that the signal division is made with a high or low pass. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalteilung durch Differentiation, anschließende Anwendung eines Hoch- oder Tiefpasses und nachfolgende Integration vorgenommen wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that that the signal division by differentiation, subsequent application of a high or low pass and subsequent integration is made. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das polarisierte Licht vor dem Durchlaufen der Probe frequenz-, phasen- oder amplitudenmoduliert (1. Modulation) und das aus dem Meß- und Referenzstrahl gebildete Differenz- oder Quotientensignal in entsprechender Weise demoduliert wird (2. Demodulation).6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that that the polarized light modulates frequency, phase or amplitude before passing through the sample (1st modulation) and the difference or quotient signal formed from the measuring and reference beam in is demodulated in a corresponding manner (2nd demodulation). 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor der zweiten Demodulation mit einem selektiven, auf die Modulationsfrequenz abgestimmten Verstärker verstärkt wird.7. The method according to claim 6, characterized in that before the second demodulation is amplified with a selective amplifier tuned to the modulation frequency. 130020/0266130020/0266 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,daß die zweite Demodulation mit einem Lock-in-Verstärker vorgenommen wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the second demodulation is done with a lock-in amplifier. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8» dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufteilung des Lichtstrahls nach der Probe und zur Erzeugung des reflektierten Strahls sowie zur ersten Demodulation die Reflexion an einem optisch dichteren Medium herangezogen wird.9. The method according to any one of claims 1 to 8 »thereby characterized in that for splitting the light beam after the sample and for generating the reflected one Beam and for the first demodulation, the reflection on an optically denser medium is used. 10. Verfahren noch Anspruch y , dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufteilung des Lichtstrahls nach der Probe sowie als erster Demodulator eine planparallele Platte verwendet wird.10. The method still claim y, characterized in that that for dividing the light beam after the sample and as the first demodulator a plane-parallel plate is used. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufteilung des Lichtstrahls nach der Probe und zur Erzeugung des reflektierten Strahls sowie zur ersten Demodulation die Reflexion an einem optisch dünneren Medium herangezogen wird.11. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized characterized in that for splitting the light beam after the sample and for generating the reflected one Beam and for the first demodulation the reflection on an optically thinner medium is used. 12. Verfahren nach Anspruch 11 ,dadurch gekennzeichnet,12. The method according to claim 11, characterized in that daß zur Aufteilung des Strahls nach der Probe sowie als erster Demodulator ein Prisma verwendet wird und der an der Grenzfläche zum optisch dünneren Medium reflektierte und an der zweiten Grenzfläche zum optisch dünneren Medium gebrochene Strahl als reflektierter Strahl verwendet wird.that to split the beam after the sample as well as First demodulator a prism is used and which is reflected at the interface to the optically thinner medium and at the second interface to the optically thinner medium, the refracted ray as the reflected one Beam is used. 130020/0266130020/0266 29U11329U113 13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dqß ein Prisma verwendet wird, das im Dreiecksquerschnitt solche Winkel besitzt, daß das eingestrahlte Licht auf beide Grenzflächen zum dünneren Medium hin unter dem gleichen Winkel auftrifft.13. The method according to claim 11 or 12, characterized in that dqß a prism is used which has such angles in the triangular cross-section that the irradiated Light impinges on both interfaces to the thinner medium at the same angle. . Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prisma verwendet wird, das im Dreiecksquerschnitt die Winkel α , 2oL und (180 - 3oL) aufweist.. Method according to claim 13, characterized in that that a prism is used which has the angles α, 2oL and (180-3oL) in the triangular cross-section. 15. Verfahren nach Anspruch 1o oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung gleicher Intensitäten im Meß- und Referenzstrahl eine planparallele Platte oder'ein Prisma mit mindestens teilweise verspiegelter Oberfläche verwendet wird.15. The method according to claim 1o or 14, characterized in that that to achieve the same intensities in the measuring and reference beam a plane-parallel plate oder'a prism with at least partially mirrored Surface is used. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prisma mit einem Winkel i?<- verwendet wird, bei dem eine maximale Empfindlichkeit des Polarimeters resultiert, wobei der Abstand des Winkels OL vom Grenzwinkel der Totalreflexion rdurch den maximal ausgenutzten Meßbereich festgelegt wird.16. The method according to any one of claims 12 to 15, characterized in that a prism i at an angle? '- is used in which a maximum sensitivity of the polarimeter result, the distance of the angle OL from the critical angle of total reflection r by the maximum used measuring range is determined. 130020/0266130020/0266 ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED 17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 1617. Device for performing the method according to one of claims 1 to 16 mitwith einer Lichtquelle (1) für polarisiertes Licht, einem Probenteil zur Aufnahme der Probe (3), einem Strahlteiler (5)>a light source (1) for polarized light, a sample part for receiving the sample (3), a beam splitter (5)> je einem Detektor (7» 7*) für den Meß- sowie den Referenzstrahl, One detector each (7 »7 *) for the measuring beam and the reference beam, einem Differenzverstärker oder Quotientenbildner (8), einem Signalverstärker (15)a differential amplifier or quotient generator (8), a signal amplifier (15) undand einer Anzeige-, Ausgabe- oder Registriereinrichtung (10),a display, output or registration device (10), gekennzeichnet durchmarked by einen Signalteiler (13) zur Abtrennung der Signalkomponente (n) mit der Konzentrationsänderungsfrequenz der zu bestimmenden optisch aktiven Substanz(en).a signal divider (13) for separating the signal component (s) with the frequency of change in concentration the optically active substance (s) to be determined. 18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch ein Frequenzbandfilter bzw eine Frequenzweiche als Signalteiler (13)·18. The device according to claim 17, characterized by a frequency band filter or a crossover as Signal divider (13) 19. Vorrichtung nach Anspruch 17» gekennzeichnet durch - einen Hoch- oder Tiefpaß bzw. einen Bandpaß (13) sowie einen Gleichstromaddierer oder19. The device according to claim 17 »characterized by - A high or low pass filter or a band pass filter (13) and a direct current adder or 130020/0266130020/0266 - ein Differenzierglied (12),- a differentiator (12), einen Hoch- oder Tiefpaß bzw einen Bandpaß (13)a high or low pass or a band pass (13) undand einen Integratoran integrator 20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, gekennzeichnet durch eine planparallele Platte (5) als Strahlteiler und Analysator.20. Device according to one of claims 17 to 19, characterized by a plane-parallel plate (5) as a beam splitter and analyzer. 21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, gekennzeichnet durch ein Prisma als Strahlteiler und Analysator.21. Device according to one of claims 17 to 19, characterized using a prism as a beam splitter and analyzer. 22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma ( 5 ) iro Dreiecksquerschnitt solche Winkel aufweist, daß das eingestrahlte Licht auf beide Grenzflächen zum optisch dünneren Medium hin unter dem gleichen Winkel auftrifft.22. The device according to claim 21, characterized in that the prism (5) iro triangular cross-section such Has angle that the irradiated light on both interfaces to the optically thinner medium down meets the same angle. 23· Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (5 ) im Dreiecksquerschnitt die Winkel η, 2 OL und (180 - 3 dl) aufweist.23 · Device according to claim 21 or 22, characterized in that the prism (5) has the angles η , 2 OL and (180-3 dl) in the triangular cross-section. 24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der planparallelen Platte bzw des Prismas (5) zumindest teilweise verspiegelt ist.24. Device according to one of claims 20 to 23, characterized in that the surface of the plane-parallel Plate or the prism (5) is at least partially mirrored. 25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24,25. Device according to one of claims 21 to 24, 130020/0266130020/0266 29AA11329AA113 dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (5) einen Winkel ex aufweist, bei dem eine maximale Empfindlichkeit des Polarimeters resultiert, wobei der Abstand des Winkels oL vom Grenzwinkel der Totalreflexion durch den maximal ausgenutzten Heßbereich festgelegt ist.characterized in that the prism (5) has an angle ex at which a maximum sensitivity of the polarimeter results, where the distance between the angle oL and the critical angle of total reflection is determined by the maximum utilized heating range. 26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 25, gekennzeichnet durch einen zwischen Lichtquelle (1) und Probe (3) vorgesehenen ersten Modulator (2) sowie einen nach dem Verstärker angeordneten zweiten Demodulator (9)26. Device according to one of claims 17 to 25, characterized by a first modulator (2) provided between the light source (1) and the sample (3) as well as a second demodulator (9) arranged after the amplifier 2r/. Vorrichtimp; nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch einen Frequenz-, Phasen- oder Amplitudenmodulator als ersten Modulator (2) . 2 r /. Vorrichtimp; according to claim 26, characterized by a frequency, phase or amplitude modulator as the first modulator (2). 28. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, gekennzeichnet28. Apparatus according to claim 26 or 27, characterized demto the durch einen selektiven Verstärker vor/zweiten Demodulator (9) .by a selective amplifier before / second demodulator (9). 29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 28, gekennzeichnet durch einen Lock-in-Veratärker als zweiten Demodulator (9).29. Device according to one of claims 26 to 28, characterized by a lock-in amplifier as a second demodulator (9). 30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Demodulator (9) auf die Modulationsfrequenz des ersten Modulators (2) abgestimmt ist.30. Device according to one of claims 26 to 29, characterized in that the second demodulator (9) on the Modulation frequency of the first modulator (2) is tuned. 31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 28, gekennzeichnet durch Wegfall eines separaten Analysators und eine Einrichtung zur Reflexion am optisch dünneren oder optisch dichteren lMedium als ersten Demodulator, wobei der reflektierte Strahl der Meßstrahl und der gebrochene31. Device according to one of claims 20 to 28, characterized by eliminating a separate analyzer and a device for reflection on the optically thinner or optically denser medium than the first demodulator, whereby the reflected beam, the measuring beam and the refracted one 130020/0266130020/0266 Strahl der Referenzstrahl sind.Are the reference beam. 32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 31» gekennzeichnet durch einen Laser oder eine Laserdiode als Lichtquelle (1) für polarisiertes Licht.32. Device according to one of claims 17 to 31 »characterized by a laser or a laser diode as a light source (1) for polarized light. 33· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 his 32, gekennzeichnet durch einen phasenangeglichenen Endverstärker. 33 · Device according to one of Claims 17 to 32, characterized through a phase-adjusted power amplifier. 34-. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 33» gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur digitalen Anzeige in der Art einer digitalen Armbanduhr.34-. Device according to one of Claims 17 to 33 » by means of digital display such as a digital wristwatch. 35· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 33» gekennzeichnet durch einen druckenden Kleinrechner sowie einen Zeitgenerator zur automatischen Aufzeichnung der Konzentrationswerte der optisch aktiven Substanz, beispielsweise der Blutglucose.35 · Device according to one of claims 17 to 33 » by a printing small computer and a time generator for automatic recording the concentration values of the optically active substance, for example blood glucose. 36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten innerhalb eines einzigen Gehäuses vorgesehen sind.36. Device according to one of claims 17 to 33, characterized characterized in that the components are provided within a single housing. 37· Vorrichtung nach einem der Ansprüche I7 bis 33, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Ermittlung der Inderungsgeschwindigkeit der Konzentration der optisch aktiven Substanz sowie eine entsprechende37 · Device according to one of claims I7 to 33, characterized by a device for determining the rate of change in the concentration of optically active substance as well as a corresponding 130020/0266130020/0266 Anzeige- oder Registriervorrichtung.Display or registration device. 38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 33» gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Auslösung eines akustischen und/oder optischen Signals zur Warnung bei Erreichen eines bestimmten einstellbaren oberen oder unteren Grenzwerts der Konzentration der ermittelten optisch aktiven Substanz.38. Device according to one of claims 17 to 33 »characterized by means of a device for triggering an acoustic and / or optical signal for warning when a certain adjustable upper or lower limit value of the concentration of the determined optically active substance. 39· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 33» dadurch gekennzeichnet, daß sie mikrominiaturisiert ist und in einen lebenden Organismus eingepflanzt werden kann.39 · Device according to one of claims 17 to 33 »thereby characterized in that it is microminiaturized and implanted in a living organism can. 40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Teil (a) ° Ohf bzw. Messung am40. Device according to one of claims 17 to 33, characterized characterized in that the optical part (a) ° Ohf or measurement on miniaturisiert und zum Tragen am/Ohrläppchen vorgesehen ist.miniaturized and intended to be worn on the / earlobe is. 4-1. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 4-0, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Regeleinrichtung verbunden ist und diese direkt steuert, die in Abhängigkeit von der ermittelten Konzentration der optisch aktiven Substanz eine Flüssigkeit in den Körper eindosiert, insbesondere Insulin aufgrund des"ermittelten Blutglucosewerts.4-1. Device according to one of Claims 17 to 4-0, characterized characterized in that it is connected to a control device and controls this directly, which in Depending on the determined concentration of the optically active substance, a liquid enters the body dosed, in particular insulin based on the "determined Blood glucose value. 42. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 4-1 zur verletzungsfreien Bestimmung des Blutglucosespiegels. 42. Use of the device according to one of claims 17 to 4-1 for the injury-free determination of the blood glucose level. 130020/0266130020/0266 4-3. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 "bis 4-1 zur verletzungsfreien Bestimmung und gleichzeitigen Regelung des Blutglucosespiegels durch gesteuerte Insulinzufuhr.4-3. Use of the device according to one of the claims 17 "to 4-1 for injury-free determination and simultaneous regulation of the blood glucose level controlled insulin delivery. 130020/0266130020/0266
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